流量對微壓過濾沖洗池過濾性能的影響研究

2019-09-23 00:31:06楊圓坤陶洪飛牧振偉馬合木江艾合買提楊文新姜有為

水資源與水工程學報 2019年4期

楊圓坤，陶洪飛，牧振偉，李巧，馬合木江·艾合買提，楊文新，姜有為

(新疆農業大學水利與土木工程學院，新疆烏魯木齊 830052)

1 研究背景

我國農業灌溉用水緊張，節水灌溉技術的推廣顯得尤為重要。新疆的農業灌溉用水80%以上來自地面水源，它們攜帶的大量泥沙極易堵塞灌水器，過濾設備則起到清除水中雜質，保證微灌系統正常運行的作用[1-3]。

網式過濾器是一種常見的過濾設備，國內外諸多學者對其水力性能及內部流場做了相關研究。劉飛等[4]通過自清洗網式過濾器在清水和渾水條件下，擬合出80和120目的水頭損失計算公式。劉曉初等[5]得出清水條件下120目的Y型篩網式過濾器在5.65 m3/h下的水頭損失達1.5 m。阿力甫江·阿不里米提等[6-7]研究了魚雷網式過濾器的水頭損失，該過濾器在清水條件、300 m3/h情況下120目濾網的水頭損失達3.2 m，并且水頭損失會隨過濾時間的推移不斷增加。Puig-Bargués等[8]采用量綱分析方法建立了微灌用網式過濾器水頭損失計算的通用數學模型。Duran-Ros等[9]基于Puig-Bargués等[8]和Yurdem等[10]的研究成果，采用量綱分析方法推導和建立了新的水頭損失數學模型。Wu Wenyong等[11]考慮網式過濾器結構尺寸和影響濾網過濾介質的因素，結合試驗數據和量綱分析方法，建立了水頭損失改進的計算數學模型。在以上研究結果基礎上，Zong Quanli等[12]結合試驗數據和考慮11個影響水頭損失的影響因素，分別建立了計算清水和渾水條件下自清洗網式過濾器的水頭損失方程。在對微灌用網式過濾器做流場分析時，計算流體動力學(CFD)得以廣泛應用。王新坤等[13]采用多孔介質模型對進水口直徑為50mm的阿素德(AZUD)普通微灌網式過濾器內部進行數值模擬，得到了其內部的速度分布和水力特性。李浩等[14]通過研究發現微灌網式過濾器的壓力水頭損失主要發生在濾網兩側。陶洪飛等[15-17]模擬了網式過濾器中的清水流場，探討了流量及濾網孔徑對其內部流場的影響，在此基礎上進行了結構優化，提出了漸縮式網式過濾器。喻黎明等[18-19]以CFD-DEM耦合模擬Y型網式過濾器內部的流場和泥沙，得出其出口側上端面有更好的過濾性能及壓差主要發生在濾網兩側。通過對網式過濾器流場進行分析，了解其工作時的水力特性，可以更好地優化網式過濾器的內部結構，使其更好地應用于微灌系統中。

網式過濾器屬于泵后強壓過濾，會產生較大的水頭損失，在處理高含沙量的地表水時，網式過濾器極易堵塞，造成出水量無法滿足下游灌水量要求。因此，陶洪飛等[20-21]提出了一種新型、泵前、綠色環保的處理泥沙的工程措施，即微壓過濾沖洗池，目前已獲發明專利，專利號為：ZL201610063409.7。并已對微壓過濾沖洗池的過濾能力和排污方式進行了探究，得出微壓過濾沖洗池的污物處理能力較高，過濾后的水能夠滿足灌溉需水及其水質的要求，同時也給出了定時沖洗和連續沖洗這兩種排污方式在實際工程中應用的建議。流量是影響微壓過濾沖洗池的一個關鍵因素，本文在前期研究的基礎上，探討了流量對其過濾性能的影響，從而為微壓過濾沖洗池的結構優化和推廣應用提供理論依據和技術支撐。

2 試驗裝置及其工作原理

本試驗的室內試驗裝置由渾水池、進水箱及微壓過濾沖洗池構成，如圖1所示。微壓過濾沖洗池的長度、寬度、高度分別為70、50、70 cm，其核心過濾元件為綿綸過濾網，孔徑0.125 mm，面積為2 400 cm2，孔隙率為15%。此次試驗采用定時沖洗的排污方式[21]，故將過濾網一頭綁扎在連接管上，另一頭封閉。進水管、回水管、連接管、出水管的內徑分別為5、5、11、11 cm。試驗裝置的工作原理[21]是攪水泵使渾水池中的泥沙和水充分攪拌，吸水泵將攪拌均勻的渾水通過進水管抽入進水箱中，回水閥可以調節流量。待進水箱水位升高，通過連接管進入微壓過濾沖洗池中，在微壓(水箱中的水頭)作用下，利用柔性濾網，實現由內向外的過濾，泥沙被截留在過濾網內。過濾的清水經出水管回到渾水池中，過濾結束后，取下濾網進行清洗。

圖1 微壓過濾沖洗池結構示意圖

3 材料與方法

3.1 試驗沙樣

試驗用的泥沙顆粒級配曲線如圖2所示：大于0.05 mm的泥沙含量占87.1%，0.002～0.05 mm的泥沙占12.5%，泥沙的粗端粒徑D98為0.47 mm，其中，大于濾網孔徑(0.125 mm)的泥沙占59%以上。

3.2 試驗方案

為探究微壓過濾沖洗池在不同流量下的過濾性能，在過濾網處于非淹沒自由出流狀態、渾水含沙量為0.4 kg/m3，開展了5組不同流量(5.4、9.1、12.4、15.4、18.5 m3/h)的試驗。具體步驟如下：將稱量好的泥沙倒入盛有清水的渾水池中，啟動攪水泵，經充分攪拌后，量測渾水的含沙量；待含沙量滿足試驗設計要求時，開啟進水閥；通過吸水泵將渾水抽入微壓過濾沖洗池中，同時測出進水流量的大小(該流量可根據進水閥和回水閥共同調節)；然后開始計時，并利用鋼尺量測水箱和微壓過濾沖洗池的水深。而后，同步量測出渾水池和濾液的含沙量；當渾水池中的含沙量低于試驗設計含沙量時，加入一定量的泥沙；當過濾網達到極限狀態時，試驗結束。之后，量測過濾網及濕樣泥沙的重量，清洗濾網，換下組流量，重復以上步驟。利用數碼相機記錄整個試驗過程的試驗現象。

圖2 試驗沙樣顆分曲線

3.3 含沙量的測量方法

本次試驗采用置換法原理獲得含沙量，既能保證精度，又能提高試驗效率。試驗時用0.8 L的玻璃燒杯、0.5 L帶毛玻璃片的錐形瓶、分度值為0.01 g的電子天平和量程0～50℃的水銀溫度計獲得相關數值，代入公式(1)便得含沙量[20]。

(1)

式中：S為含沙量，kg/m3；ρ為清水密度，kg/m3；ρs為試驗用沙密度，kg/m3；ρm為渾水密度，kg/m3；m瓶+水為錐形瓶和渾水總質量，kg；m瓶為錐形瓶質量，kg；V瓶為錐形瓶體積，m3。

3.4 流量的測量方法

采用稱重法獲得流量，使用秒表、60 L的水桶、一臺最大稱量為100 kg、分度值為20 g的電子秤和電子天平來獲得相關數據，代入公式(2)，從而求得流量[20]。

(2)

式中：M桶+水為水桶和渾水的總質量，kg；M桶為水桶質量，kg；T為時間，s；Q為出水流量，m3/h；m瓶+水為錐形瓶和渾水總質量，kg；m瓶為錐形瓶質量，kg；V瓶為錐形瓶體積，m3。

3.5 試驗現象

數碼相機記錄了試驗過程中的現象，圖3為相同時刻不同流量下微壓過濾沖洗池的試驗現象。從圖3(a)中可以看出：當t=0 min時，3個不同流量下的整體試驗現象類似，濾網都因出水口邊界影響，朝向了出水口處；流量為5.4和12.4 m3/h時，濾網未能在水流作用下完全鼓起，大部分浸泡在池中，過濾集中在濾網頭部，而流量為18.5 m3/h時的濾網呈柱形，可看到大量的氣體隨水流進入濾網內，過濾主要集中在濾網下部。

從圖3(b)中可以看出：當t=30 min、流量為5.4和12.4 m3/h時，部分細顆粒泥沙黏附在濾網頭部和尾部的內表面處，而流量為18.5 m3/h時，泥沙顆粒被帶至濾網尾部，且在水流作用下濾網尾部進入了出水口。3種不同流量下可觀察到有一部分泥沙在水流作用下在濾網內旋轉運動。從圖3(c)中可以看出：當t=42 min、流量為5.4和12.4 m3/h時，濾網頭部和尾部攔截了較多的細顆粒泥沙，但過濾仍在繼續，而流量為18.5 m3/h時，濾網頭部泥沙分布較多，其他區域泥沙分布較均勻，濾網被水沙混合物充滿，已膨脹到極限，濾網顏色加深變黃，內部氣體被完全排出，僅有少量泥沙在濾網中旋滾，說明濾網過濾已達極限狀態。

4 結果與討論

4.1 進水箱水深隨時間的變化規律

進水箱水深會隨著流量、過濾時間的變化而發生改變，不同流量下水箱中水深隨時間的變化曲線如圖4所示，從圖4中可以得出以下主要結論：

(1)不同流量下，水深隨時間的變化規律相同，都包含水深恒定、水深快速增加和水深急速增加三個階段，在小流量下這三個階段更加明顯。如流量為5.4 m3/h下，在0～70 min內水深保持恒定在24.5 cm；在70～141 min內，水箱水深快速增加；在141～147 min內，水箱水深急速增加。

(2)不同流量下，水深恒定時間不同，流量越小，水深恒定的時間越長。如流量為5.4、9.1、12.4、15.4、18.5 m3/h的水深恒定時間分別為70、60、55、35、30 min。

(3)不同流量下，當水深處于快速和急速增加的這兩個階段，水深的增加速率是不同的，流量越大，水深增加速率就會越大。如在快速增加階段，流量為5.4、9.1、12.4、15.4、18.5 m3/h時，水箱水深的增加速率分別為0.09、0.18、0.46、1.00、1.17 cm/min；在急速增加階段，流量為5.4、9.1、12.4、15.4、18.5 m3/h時，水深的增加速率分別為0.67、0.92、1.60、4.00、9.00 cm/min。

(4)不同流量下，過濾時間(水深快速增加階段結束的時刻)不同，流量越小，過濾時間就越長。如流量為5.4、9.1、12.4、15.4、18.5 m3/h的過濾時間分別為141、89、69、48、41 min，其中5.4 m3/h下的過濾時間比18.5 m3/h的長100 min，兩者相差約2.44倍。一旦超過過濾時間不進行排污，則水深會隨時間急速增加，濾網會急速膨脹，從而達到濾網過濾的極限，勢必會影響濾網壽命，同時也不利于濾網中泥沙的排出。

圖3 相同時刻不同流量下微壓過濾沖洗池的試驗現象

圖4 不同流量下進水箱中水深隨時間的變化曲線

水箱中水深隨時間變化的規律是濾網堵塞程度的表現，可將其分為介質過濾、濾餅過濾和擠壓過濾這3個階段。水深恒定階段主要以濾網過濾為主，過濾阻力主要是濾網本身，濾網孔堵塞率較小，濾網內表面泥沙沉積和濾網內外含沙量差幾乎不存在，因而過濾阻力相對較小。流量越大，單位流量的含沙量便越大，攜帶的泥沙顆粒就越多，被攔截在濾網內表面的泥沙也就越多，則保持水深恒定的時間相對就越短。水深快速增加階段則主要以濾餅過濾為主，在滲透流的作用下，一些細小的泥沙顆粒，因吸附、擴散和慣性沖撞等而不斷被截留在濾網內，導致濾網過濾不通暢。之后，泥沙粒徑比濾網孔徑大或者與之相當的顆粒，在滲流曳力作用下，會因吸附作用被濾網截留而沉積在濾網內，形成濾網內表面沉積層，此時由濾網過濾進入到以濾餅過濾為主的階段，濾餅層會不斷快速變厚，表現為水深快速增加。流量越大，滲透流作用也越大，細顆粒泥沙被濾網捕集的幾率增加，易形成濾餅，故濾餅過濾時期越短，即水深增加速率越大。

隨著過濾的進一步進行，濾網內外含沙量相差較大，產生極化現象，增大了過濾阻力，細顆粒泥沙很難再穿過濾餅及濾網，導致水沙混合物淤積在濾網內，濾網出水量很少，濾網進入到擠壓過濾時期，表現為水深急速增加。流量越大，過濾阻力也越大，水深急速增加的速率就越大。

4.2 泥沙顆分曲線對比

圖5為原砂樣與濾液(經濾網過濾后的液體)中泥沙及流量為5.4和18.5 m3/h下濾網內攔截泥沙的顆分曲線。其中，濾液中泥沙的顆分曲線是在完成5種不同流量下，收集過濾池中沉淀的泥沙得到的。從圖5中可看出：

(1)微壓過濾沖洗池將泥沙的粗端粒徑D98從0.47 mm過濾至0.11 mm，說明渾水中0.125 mm以上的泥沙完全被濾網攔截，該范圍內的粒級效率(指某一級別粒度顆粒的分離效率)達100%，滿足灌溉用水對水質的要求，不會造成灌水器堵塞。

(2)兩種流量下濾網內攔截的泥沙都集中在0.095～0.276 mm這一粒組范圍內；但18.5 m3/h下濾網內泥沙粒徑小于0.095 mm僅占5%，而5.4 m3/h的占27%，說明在小流量下，濾網內攔截的細顆粒泥沙較多。這是因為流量越小，微壓過濾沖洗池處于濾餅過濾階段的時間就越長，濾網內攔截的細顆粒泥沙含量也就越高。

圖5 泥沙顆分曲線對比

4.3 泥沙去除率及濾網中泥沙質量對比

泥沙去除率是衡量微壓過濾沖洗池過濾性能的重要指標，其為進口與出口含沙量之間差值與進口含沙量的比值，表1為不同流量下微壓過濾沖洗池的泥沙去除率和濾網內泥沙質量的對比。表1中，進口含沙量為零時刻下測得渾水池中的含沙量；出口含沙量為微壓過濾沖洗池在過濾初期、中期、后期所測得的含沙量平均值。由表1可知，不同流量下微壓過濾沖洗池的泥沙去除率均為66%左右，相差不大，這說明不同流量下微壓過濾沖洗池可攔截渾水中大部分的泥沙，從而降低了出水管中水流的含沙量，以滿足下游灌水要求。流量越小，過濾時間便越長，濾網中攔截的泥沙也越多，如5.4 m3/h流量下攔截的泥沙質量比18.5 m3/h流量下多106.34 g，前者是后者的2.32倍。